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滤纸式烟度计新型检测头温度补偿方法

发布时间:2019-06-04 02:15 来源:未知 编辑:admin

  :滤纸式烟度计广泛应用于柴油车的年检、路检;它采用光电法确定清洁滤纸染黑的程度,从而测量柴油车的烟度排放值。通过大量的试验数据分析光电二极管、发光二极管、热敏电阻三者之间的线性相关函数,研发出用于滤纸式烟度计的新型线性光电检测头;与传统硒光电池和白炽灯泡作为光电检测头相比,新型光电检测头更经济、更方便、更稳定。

  摘要:滤纸式烟度计广泛应用于柴油车的年检、路检;它采用光电法确定清洁滤纸染黑的程度,从而测量柴油车的烟度排放值。通过大量的试验数据分析光电二极管、发光二极管、热敏电阻三者之间的线性相关函数,研发出用于滤纸式烟度计的新型线性光电检测头;与传统硒光电池和白炽灯泡作为光电检测头相比,新型光电检测头更经济、更方便、更稳定。

  滤纸式烟度计核心元器件硒光电池价格昂贵,其次,硒光电池易受光、热、潮湿和各种有害气体的损害,使用越久,越容易衰老,灵敏度下降,以至于在紫色光中产生电流太小,无法工作,在无色的溶液中也无法将光密度调至零点,此时必须更新硒光电池。所以国内需有一种新技术替代传统的硒光电池。

  光电二极管在发光二极管LED的光线照射下,所产生的电流如果在外电路上接上负载,负载上就获得了电压信号,而且这个电压信号随着光的变化而相应变化,这就可以把光信号转换成电压信号,从而把光电二极管和LED做成整套光电检测装置。

  光电二极管和LED的灵敏度与温度有负相关性,热敏电阻与温度也有负相关性。当温度上升且LED的供电电压不变时,热敏电阻阻值变小,LED输出光强增强。

  基于以上因素,滤纸式烟度计新型检测头采用的方案为:光电二极管检测LED的光信号并转换成电信号,同时由热敏电阻补偿整个电信号受温度影响产生的电压漂移。

  如图1所示为新型检测头结构图,LED为绿色发光二极管,代替白炽灯;用光电二极管代替硒光电池;温度补偿用热敏电阻;结构上,光电二极管置于正中心,周边放3个LED,他们之间的距离为2 mm;光电二极管、LED和热敏电阻全部放置在滤纸式烟度计探头内。

  如图2所示为新型检测头电路原理图。LED的功率在50 mW以内,功率与照度成正比,并且关系为3.95 Lx/mW;第一级电流/电压变换器非常关键,采用运算放大器TL072,这样电压的输出幅度尽可能大,而失调电流的漂移和偏置电流都很小。

  滤纸式烟度计在使用的过程中,由于抽取的烟气温度很高,所以烟度计检测头的温度会逐渐上升;而检测头输出电压受温度影响很大,如图3所示。

  如图3,将检测器的温度补偿范围定为10~60 ℃,线*X,式中:Y为输出电压,X为温度变化值;根据测量数据可以得出:随着温度变化,c0的变化不大,主要是灵敏度c1的变化。得出检测器的灵敏度c1与温度的系数如下:

  随着烟度计检测头的温度上升,还需要保持烟度卡值与检测头输出电压线性相关性,需要增加合适的热敏电阻。

  最简单的补偿方法是将图1中的R3用一个具有与检测头相同温度系数的NTC热敏电阻替代,则可以解决滤纸式烟度计温度漂移的问题。NTC热敏电阻温度系数算法如下:

  β=3940的NTC热敏电阻温度系数(25℃时)按上式算,约为-3.8%。所以只采用一个NTC热敏电阻无法得到较好的温度补偿效果。

  当没有合适的热敏电阻时,可采用热敏电阻的组合方法:(1)两个相同温度系数的热敏电阻并联或串联;(2)热敏电阻与一般电阻的串联;(3)热敏电阻与一般电阻的并联。本文采用后两种方法组合,如图4所示。

  采用NTC热敏电阻代替图2中的R3后,因为LED光源功率的温度系数与NTC热敏电阻温度系数相反,所以热敏电阻正好起到温度补偿作用。从检测头的温度试验获得其灵敏度的温度系数α为-0.43%/℃,要补偿温度对检测器灵敏度的影响,可以用-0.43%/℃,200 Ω的热敏电阻代替图1中的R3。

  因为没有合适的NTC热敏电阻,根据热敏电阻组合方法,设计上用NTC电阻与热敏电阻并联的方法解决;同时为了达到LED功率与照度成正比,并且关系为3.95 Lx/mW,再串联一个一般的NTC电阻,如图4所示。

  由于检测头在高烟度值(8.5~10 Rb)和低烟度值(0~0.5 Rb)测量时存在不同的温度漂移系数(为-0.43%/℃±10%),此时,可以采用热敏电阻测量检测头检测室内的温度,然后通过软件的算法进行温度补偿。温度补偿的软件算法为:

  是一个有量纲的数;调校仪器时,必须记录当时的环境温度T0,T0用摄氏温度表示。

  FQ仪器用的MF11-1 kΩ±10%(β=3900)热敏电阻并联220 Ω电阻,再与51 Ω的电阻串联,根据热敏电阻温度系数的算法得出温度补偿系数ξ为-0.44%/℃,可以抵消光电二极管和LED受温度影响的温度系数α(-0.43%/℃),补偿后的检测头灵敏度基本不受温度变化的影响。同时采用软件补偿方法补偿低烟度值和高烟度值的非线性误差。

  试验表明,采用上述光敏电阻硬件补偿和软件补偿后,检测头输出电压不受温度变化,并保持很好的线性相关性,达到设计要求。

  如图5,烟度卡0值是指一层滤纸加聚四氟乙烯;光电二极管有两种:型号为MBC-3127CF(2K)的输出与烟度卡值的关系为基本线B)差些,最终选用型号为MBC-3127CF(2K)的光电二极管。

  通过试验验证:在恒温条件下,光电二极管输出电压与发光二极管照度之间成线性关系;新型检测头的电压输出(V)与烟度卡值(Rb)为线 结论

  整机联调实验表明,烟度计测量误差保证在±2%F.S.,满足了滤纸式烟度计的性能要求。由于新型光电检测头的使用寿命更长,性能更稳定,在推向市场十多年中,产生了良好的社会效益和经济效益。

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